DE102013017464A1

DE102013017464A1 - Temperaturregulationssystem mit Latentwärmespeichern

Info

Publication number: DE102013017464A1
Application number: DE201310017464
Authority: DE
Inventors: Stefan Rusche; Stefan Hilbert
Original assignee: Hochschule RheinMain
Current assignee: Hochschule RheinMain
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge, das mindestens einen Wärmespeicher als Latentwärmespeicher mit unterschiedlichen Arbeitspunkten (10, 20) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge mit wenigstens einem Latentwärmespeicher, der bei mindestens 2 Temperaturen (Arbeitspunkten) Wärme aufnimmt oder abgibt.
[Stand der Technik]
Fahrzeuge werden im Stand der Technik mit einem einzigen Wärmespeicher (i. e. Kühlwasserkreislauf) ausgestattet. Somit wird überschüssige Wärme von Wärmequellen der Fahrzeuge in dem Wärmespeicherkörper temporär gespeichert. Bei Bedarf wird die im Wärmespeicherkörper gespeicherte Wärme abgegeben und zur Erwärmung von Systemkomponenten des Fahrzeugs (z. B. zur Fahrgastzellenbeheizung) verwendet. In einem solchen Wärmespeichergerät werden Wärmespeicherkörper, die in der Lage sind, latente Wärme zu speichern, eingesetzt. Dadurch wird die Menge der in dem Wärmespeicherkörper gespeicherten Wärme erhöht, während das Gewicht des Wärmespeicherkörpers niedrig gehalten wird. Ein Latentwärmespeicher ist ein Wärmespeicher, der die Aufnahme von Wärme für eine Zustandsänderung verwendet. Dies ist beispielsweise die Änderung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück. Diese Umwandlungstemperatur wird im Folgenden als Arbeitspunkt bezeichnet.
Ein Latentwärmespeicher kann thermische Energie für einen gewissen Zeitraum speichern. Die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme steht dann beispielsweise zum raschen Aufheizen des Motors und des Fahrgastraums zur Verfügung.
Die DE 10 2010 018 906 A1 beschreibt ein Temperatursteuerungssystem für einen Fahrgastraum eines Fahrzeugs mit einem Wärmespeicher, der mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Bei dem Wärmespeicher kann es sich z. B. um einen Latentwärmespeicher handeln. Der Latentwärmespeicher kann bei abgestelltem Fahrzeug von einer externen elektrischen Stromquelle aufgeheizt werden.
Diese Lösung weist eine geringe Flexibilität bei der Anpassung von Wärmeaufnahme und -abgabe auf. Dies führt zu überflüssigen Energieverlusten und somit zu Kosten.
Bei der rekuperativen Nutzung von Bremsenergie stehen kurzzeitig Leistungen zur Verfügung, die die Antriebsleistungen übersteigen können. Die Einspeisung von Leistungen in elektrische Speicher bei kurzem Ablauf einer Bremsung und in hoher Größenordnung ist jedoch momentan nicht möglich. Damit bleiben Rekuperationsenergien ungenutzt. Selbst bei sanften Bremsungen und bei kaltem oder voll geladenem Akku geht diese Energie verloren.
[Aufgabe]
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebene Anordnung bzw. ein mit einer derartigen Anordnung ausgestattetes Fahrzeug so weiterzuentwickeln, dass deren bzw. dessen Energieeffizienz weiter verbessert wird und die bestehenden Nachteile des Stands der Technik überwunden werden.
[Lösung der Aufgabe]
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Temperaturregulationssystem mit wenigstens zwei Latentwärmespeichern mit unterschiedlichen Arbeitspunkten zur Temperaturregulierung eines Fahrzeugs, z. B. zum Erwärmen bzw. Kühlen wenigstens einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Antriebs- und Energiespeichersystems oder des Fahrzeuginnenraums, insbesondere des Fahrgastraums. Die Komponenten umfassen Motor, Energiespeicher (z. B. Batterie oder Tank), Bremsen und den Fahrgastraum. Aber auch die Temperaturregulierung anderer Komponenten eines Fahrzeuges ist möglich.
Mindestens zwei Latentwärmespeicher sind über mindestens einen Heizkreis mit den Komponenten verbunden. In diesem Heizkreis zirkuliert ein Übertragungsmedium, um Wärme zwischen den Komponenten und den Latentwärmespeichern zu übertragen.
Hierbei wird der Heizkreis flexibel geschaltet, je nachdem, welche Komponenten im Fahrzeug gekühlt oder geheizt werden sollen.
Ein erster Latentwärmespeicher ist als Hochtemperaturspeicher (HT) mit einem Arbeitspunkt von bevorzugt ca. 50 ± 20°C ausgeführt. Ein zweiter Latentwärmespeicher ist als Niedertemperaturspeicher (NT) mit einem Arbeitspunkt bei bevorzugt ca. 20 ± 10°C ausgeführt. Diese Wärmespeicher sind dabei in das Temperaturregulationssystem integriert. Durch die Nutzung der Abwärme der Fahrzeugkomponenten wie der Batterie, dem Motor, den Bremsen oder durch das Vorkonditionieren (vorheizen oder vorkühlen) dieser Komponenten wird die Systemeffizienz des Fahrzeugs gesteigert.
Es kann auch nur ein Latentwärmespeicher eingesetzt werden, der unterschiedliche Arbeitspunkte aufweist, wobei in einem Gehäuse mehrere Wärmespeichermittel mit unterschiedlichen Arbeitstemperaturen angeordnet sind. So ist es möglich, einen Latentwärmespeicher, der die Arbeitspunkte 0 ± 5°C, 10 ± 5°C, 30 ± 10°C, 50 ± 10°C umfasst, einzusetzen. Bevorzugt wird je Arbeitspunkt ein Latentwärmespeicher eingesetzt.
Der Begriff Batterie umfasst alle Arten von Speichern elektrischer Energie, insbesondere auch Akkumulatoren oder Kondensatoren. Hierin inbegriffen sind auch Kombinationen von mehreren gleichen oder verschiedenen Speichern elektrischer Energie, z. B. die Kombination mehrerer Batterien, Akkumulatoren, Kondensatoren oder mehrerer Akkumulator-Kondensator-Einheiten.
Weiterhin wird auch die Fahrzeugumgebung als Wärmesenke genutzt. Das Übertragungsmedium fließt dann durch einen zuschaltbaren luftgekühlten Außenwärmetauscher. Dieser ist z. B. hinter dem Kühlergrill oder am bzw. im Boden, Dach oder Heck des Fahrzeugraumes angeordnet. In einer Ausführung besteht der Außenwärmetauscher aus mehreren Einzelwärmetauschern, wobei ein Wärmtauscher hinter dem Kühlergrill und ein weiterer Wärmetauscher im Boden des Fahrgastraumes angeordnet und miteinander durch Rohre verbunden sind.
Die Funktionsweise ist hierbei folgende: Durch einen geschlossenen Heizkreislauf wird ein Übertragungsmedium gepumpt, das Wärmeenergie aufnehmen und abgeben kann. Dies ist üblicherweise Wasser. Es kann auch ein Korrosions- und/oder ein Frostschutzmittel enthalten. Andere Übertragungsmedien wie beispielsweise Öle oder Alkohole sind auch möglich.
Der Niedertemperaturwärmespeicher (NT) und der Hochtemperaturwärmespeicher (HT) sind hierbei bevorzugt so ausgebildet, dass das Übertragungsmedium von beiden Wärme aufnehmen oder Wärme abgeben kann.
Weiterhin ist ein Wärmeübergang zwischen den Latentwärmespeichern mit einer Wärmepumpe möglich. Die Wärmepumpe wirkt so, dass diese den NT kühlt und den HT erwärmt. Dazu wird im NT und HT je ein Wärmetauscher installiert. Weiterhin weist die Wärmepumpe einen Verdichter, eine Drossel und ein Kühlmittel, welches durch beide Wärmetauscher strömt, auf.
Somit ist es möglich, dass die Wärmepumpe den NT kühlt und den HT heizt. Der Verdichter komprimiert das Kühlmittel im Wärmetauscher des HT und leitet dieses über eine Drossel an den Wärmetauscher des NT, wo das Kühlmittel entspannt wird und die Wärme aufnimmt. Nach der Wärmeaufnahme erfolgt wieder eine Verdichtung im Wärmetauscher des HT. Eine Umkehrung des Prozesses, in Form einer Verdichtung des Kühlmittels im Wärmetauscher des NT und Entspannung im Wärmetauscher des HT, bewirkt eine Kühlung des HT und eine Heizung des NT und damit einen Wärmeübergang von HT zum NT. Die Drossel ist bevorzugt eine Durchflussbegrenzung, die in beide Richtungen als Drossel wirken kann. Der Verdichter kann durch Drehrichtungsänderung eine Kompression des Kühlmittels entweder im NT oder HT bewirken und entscheidet dadurch wie der Wärmetransport erfolgt.
Alternativ wird die Drossel als elektrisch oder elektromechanisch angesteuertes Ventil ausgebildet, welches in eine Richtung wirkt. Mit einer Durchflussbegrenzung wirkt das Ventil als Drossel und wird im Weiteren als Drosselventil bezeichnet.
Das Drosselventil kann variabel geöffnet werden. Es werden zwei Drosselventile eingebaut, jeweils eines in eine Richtung. Wenn ein Drosselventil geschlossen ist, dann wird das andere zumindest teilweise geöffnet. Eine Richtungssteuerung ist z. B. mit einem integrierbaren Rückschlagventil möglich, so dass eine Kühlmittelströmung in nur eine Richtung erfolgen kann. Die Wärmeübertragungsrichtung wird in diesem Fall durch die Drehrichtung des Verdichters und die Ansteuerung des entsprechenden Drosselventils festgelegt. Hierbei wird das Drosselventil geöffnet, das einen Durchgang des komprimierten Kühlmittels in den nicht komprimierten Bereich ermöglicht. Die Wärmepumpe ist als eigener Kreislauf oder als Kombination mit bzw. als Teilbereich der Fahrzeugklimaanalage ausgeführt. Eine Ausführung der Wärmepumpe weist eine Verbindung zum Außenwärmetauscher auf. Der Außenwärmetauscher wirkt wie ein oben beschriebener Wärmetauscher im Latentwärmespeicher, wobei der Außenwärmetauscher im allgemeinen zur Abgabe von Wärme eingesetzt wird. Wenn der Außenwärmetauscher im Fahrzeugdach eingebaut ist, kann es im Winter bei Sonneneinstrahlung zu einer relevanten Erwärmung kommen. In diesem Fall könnte dann der Außenwärmetauscher zum Aufheizen der Latentwärmespeicher genutzt werden.
Wichtige Parameter des Systems sind der Arbeitspunkt des Tieftemperaturlatentwärmespeicher (NT, 10°C bis 30°C, bevorzugt 15°C bis 25°C) und der des Hochtemperaturlatentwärmespeicher (HT, 35°C bis 60°C, bevorzugt 40°C bis 55°C). Andere Temperaturen sind je nach konkretem Einsatzbereich (z. B. Klimazone polar, subpolar, gemäßigt, subtropisch, tropisch) möglich. In das Temperaturregulationssystem sind die verschiedenen Fahrzeugkomponenten wie das Antriebssystem, die Bremsen, die Energiespeicher (z. B. Batterie) und der Fahrgastraum eingebunden.
Über den Außenwärmetauscher kann auch Wärme von den Fahrzeugkomponenten und den Latentwärmespeichern an die Umgebung abgegeben werden. Die Zieltemperatur für diese Systeme liegt beispielsweise bei 20°C bis 25°C. Die Zieltemperatur für den Fahrgastraum kann vom Anwender variabel z. B. von 17°C bis 25°C, bevorzugt 20°C verändert werden. Die Latentwärmespeicher sind hierbei untereinander thermisch koppelbar. Bevorzugt wird wenigstens ein Wärmespeicher, der bei Bedarf Wärme von einer Fahrzeugkomponente oder dem Fahrgastraum abgeben oder aufnehmen soll, vor Fahrtantritt konditioniert, d. h. vorgewärmt oder vorgekühlt.
Das Temperaturregulationssystem kann die verschiedenen Fahrzeugkomponenten so mit den Latentwärmespeichern koppeln, dass es möglich ist, Wärme von den Latentwärmespeichern zu den Fahrzeugkomponenten oder umgekehrt zu leiten. Damit erreichen oder halten diese ihre optimale Betriebstemperatur (Zieltemperatur).
Die Zieltemperaturen der einzelnen Fahrzeugkomponenten können entweder vom Fahrzeughersteller vorgegeben, vom Anwender ausgewählt oder aus den internen und/oder externen Informationen über die Außentemperatur, die Zeit (Datum, Uhrzeit-Funksignal), die Jahreszeiten oder mittels Kombinationen dieser automatisch oder manuell eingestellt werden.
Die Latentwärmespeicher können vorkonditioniert werden, z. B. indem sie in wärmeren Phasen (Fahrbetrieb, Tag) bzw. in kühleren Phasen (z. B. Fahrzeugstillstand, Nacht) Wärme über den Außenwärmetauscher, von anderen Fahrzeugkomponenten oder der Fahrzeugumgebung aufnehmen bzw. abgeben. Die Vorkonditionierung kann aber auch aktiv, z. B. mittels elektrischen Stroms, erfolgen.
Die Steuerung erfolgt in einer weiteren Ausführungsform über schaltbare Ventile. In Abhängigkeit der Signale der Temperatur- und/oder Wärmeflusssensoren werden die Ventile geschaltet.
Der Latentwärmespeicher hat bevorzugt ein Wärmespeichermittel, das im Betriebstemperaturbereich (–20°C bis 80°C) einen Phasenwechsel aufweist („Phasenwechselmaterial”). Das hat den Vorteil, dass in einem derartigen Mittel eine sehr hohe Wärmemenge gespeichert und bei Bedarf zum Heizen abgerufen werden kann bzw. eine sehr große Wärmemenge bei Bedarf zum Kühlen aufgenommen werden kann. Geeignete Wärmespeichermittel umfassen hierbei Paraffine, Wachse, Wasser (Schmelzwärme), Salzlösungen (Lösungswärme), Silicagele, Metallhydride oder Zeolithe (Absorptionswärme). Diese haben den Vorteil, dass ihre speicherbare Wärmemenge wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität ohne den Phasenumwandlungseffekt speichern können. Auch Kombinationen dieser Stoffe mit weiteren Stoffen sind möglich.
Paraffine bezeichnen ein Gemisch aus Alkanen (gesättigte Kohlenwasserstoffe) mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n+2 mit n zwischen 18 und 32, d. h. mit einer molaren Masse zwischen 275 und 600 Gramm pro Mol.
Wachse umfassen alle Stoffe die bei 20°C knetbar, fest bis brüchig hart sind, eine grobe bis feinkristalline Struktur aufweisen, farblich durchscheinend bis opak, aber nicht glasartig sind, bei über 40°C ohne Zersetzung schmelzen und schon wenig oberhalb des Schmelzpunktes leicht flüssig sind.
Wachse und Paraffine haben den Vorteil, nicht korrosiv zu sein. Des Weiteren lässt sich ihre Phasenübergangstemperatur durch eine Mischung von Kohlenwasserstoffen genau auf die gewünschten Werte anpassen.
In einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Wärmespeicher, der bei Bedarf Wärme von einer Fahrzeugkomponente oder dem Fahrgastraum abgeben oder aufnehmen soll, vor Fahrtantritt konditioniert, d. h. vorgewärmt oder vorgekühlt.
Beide Latentwärmespeicher (NT, HT) werden in einer weiteren Ausführungsform durch eine externe Energiequelle zusätzlich mit Energie versorgt. Eine geeignete Energiequelle ist z. B. elektrische Energie.
Konditionieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass dem Latentwärmespeicher über eine Heizeinrichtung Wärme zugeführt werden kann, die später bei Bedarf abgerufen werden kann oder dass ihm Wärme entzogen wird, so dass er Wärme aufnehmen kann. Letzteres hat den Effekt, dass eine Kühlung der Fahrzeugkomponente oder des Fahrgastraums erfolgt.
Für beide Konditionierungsarten, d. h. sowohl zum Konditionieren als Wärmespeicher als auch zum Konditionieren als Kältespeicher, muss Energie aufgewendet werden. Dies kann bspw. elektrische Energie sein. Vorteilhaft ist jedoch, wenn das Konditionieren durch die Zuführung oder Abfuhr von Wärmenergie aus einer Fahrzeugkomponente oder dem Fahrzeuginnenraum erfolgt, die sowieso gekühlt bzw. geheizt werden muss.
Um den Latentwärmespeicher zur Wärmeaufnahme zu konditionieren, sind die Wärmespeicher z. B. thermisch mit der Fahrzeugklimaanlage verbunden und in einer weiteren Ausführungsform auch vom Kältemittel des Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage umströmt oder durchströmt.
Die Latentwärmespeicher werden während des Fahrbetriebs so eingestellt, dass diese beim Fahrzeugstart zur Erreichung der Zieltemperaturen der Fahrzeugkomponenten als Wärmespeicher zur Verfügung stehen. Priorität hat hierbei die Zieltemperatureinstellung der Batterie, damit immer eine optimale Energieversorgung gewährleistet ist.
Die Kältemittelzuführung zum Innenwärmetauscher im Fahrgastraum und zum Latentwärmespeicher ist variabel. Dies erlaubt einen flexiblen Einsatz in Abhängigkeit von der Wärmeabgabe und -aufnahme verschiedener Verbraucher. Hierbei bildet die Temperaturregulierung für alle angeschlossenen Fahrzeugkomponenten und den Fahrzeuginnenraum ein Gesamtsystem. Durch die verschiedenen Arbeitspunkte des NT-Wärmespeichers und des HT-Wärmespeichers können unterschiedliche Fahrzeugkomponenten auf verschiedene Temperaturbereiche eingestellt werden.
Ein passiver Wärmeaustausch mit der Umgebung hat den Vorteil, dass zum Beispiel in kühleren Sommernächten die Latentwärmespeicher ohne Nutzung einer externen Kühlung vorkonditioniert werden. Das heißt, dass sie beim Fahrzeugstart zur Wärmeaufnahme zur Verfügung stehen. Das Aufheizen bzw. Abkühlen der Latentwärmespeicher kann an eine Zeitschaltung, einen Signalgeber und/oder Außentemperaturfühler gekoppelt sein. Der Signalgeber kann z. B. am Fahrzeugschlüssel angebracht sein. Damit kann der Fahrzeugführer mit einem funkbasierten Signal die Einstellung der Zieltemperatur von Fahrzeugkomponenten starten. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System eine gesteuerte Vorkonditionierung.
Hierbei wird der Temperaturverlauf der Außentemperatur erfasst. Bevorzugt werden Daten zur Temperaturprognose in das System übertragen. Aus diesen Daten, den Zieltemperaturen der einzelnen Fahrzeugkomponenten und optionalen Eingaben des Anwenders, wie der Abfahrtszeit und/oder der Temperatur des Fahrgastraums, bestimmt das System, wie die Vorkonditionierung der Latentwärmespeicher erfolgen soll.
Die erfindungsgemäße Ausführung ist nachfolgend erläutert. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung, wobei die Erfindung alle nachfolgend aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen einzeln und in Kombination umfasst.
Nachfolgend wird mit 3 Beispielen von 3 Betriebssituationen die Arbeitsweise des Systems beschrieben. In diesem Beispiel beträgt der Arbeitspunkt des Tieftemperaturlatentwärmespeichers 18°C und der des Hochtemperaturlatentwärmespeichers 50°C. Andere Temperaturen sind möglich. In das Temperaturregulationssystem eingebunden sind das Antriebssystem mit Fahrzeugmotor und Bremsen (im Folgenden als Motor bezeichnet), die Batterie und der Fahrzeuginnenraum. Die Zieltemperatur für diese Systeme liegt je bei beispielsweise 20°C bis 25°C, bevorzugt 20°C. Die Zieltemperatur für den Fahrgastraum kann vom Anwender variabel z. B. von 16°C bis 30°C, bevorzugt 20°C verändert werden.
Die erste Betriebssituation tritt vor allem in den kalten Monaten auf. Die Außentemperatur liegt unter der optimalen Zieltemperatur aller Komponenten (z. B. bei 0°C). In diesem Beispiel werden die Latentwärmespeicher bevorzugt vorkonditioniert. Dies erfolgt entweder durch die Abwärme der Fahrzeugkomponenten der letzten Fahrt oder durch eine externe Stromzuführung für die Heizung. Beide Latentwärmespeicher werden bis mindestens auf ihren Arbeitspunkt, bevorzugt über ihren Arbeitspunkt erwärmt und können somit jetzt Wärme abgeben. Vor dem Starten muss die Temperatur des Motors und vor allem die der Batterie von 0°C auf 20°C erhöht werden. Außerdem kann der Fahrgastraum erwärmt werden. Dieses Vorwärmen kann entweder vom Anwender selbst ausgelöst werden oder über eine Zeitschaltung automatisch starten.
Das Übertragungsmedium wird vom Niedertemperaturspeicher (NT), wo es Wärme aufnimmt, zur Batterie und dem Motor gepumpt. Hier gibt es Wärme ab.
Währenddessen wird das Übertragungsmedium vom Hochtemperaturspeicher (HT) zum Innenwärmetauscher im Fahrzeuginnenraum gepumpt, um den Fahrzeuginnenraum zu erwärmen. Sollte die Wärmekapazität des Hochtemperaturspeichers (HT) erschöpft sein, so wird die Wärme zum Heizen des Innenraums dem Niedertemperaturspeicher (NT) entnommen.
Der Vorteil des zusätzlichen Hochtemperaturspeichers (HT) ist, dass der größere Wärmebedarf der Fahrzeugkomponenten durch den höheren Arbeitspunkt besser berücksichtigt wird, als bei einer Heizung mit nur dem Niedertemperaturspeicher (NT). Durch die gespeicherte Temperatur von mindestens 40°C im HT ist eine wesentlich bessere Annäherung an die Komponenten-Zieltemperatur von 20°C möglich. Der NT müsste seine ganze thermische Energie vollständig übertragen, um eine Komponente auf 20°C zu erwärmen, was eher unwahrscheinlich ist.
Dieses Aufheizen der Fahrzeugkomponenten ist ein Heizbetrieb.
Im Fahrbetrieb erwärmen sich Motor und Batterie. Erwärmen sich beide über die Temperatur des Niedertemperaturspeichers (NT), wird bevorzugt die Richtung der Wärmeübertragung umgekehrt. Das Übertragungsmedium nimmt jetzt die Wärme auf und überträgt diese an die Latentwärmespeicher, z. B. die Wärme der Batterie in den Niedertemperaturspeicher (NT) und die Wärme des Motors in den Hochtemperaturspeicher (HT). Dadurch werden diese wieder aufgeheizt. Bei genügend großer Wärmeabgabe von Batterie und Motor kann der Fahrgastraum zusätzlich geheizt werden, wenn seine Temperatur unter der vom Anwender gewünschten Zieltemperatur liegt.
Wenn der Niedertemperaturspeicher (NT) aufgeheizt ist, jedoch der Hochtemperaturspeicher (HT) noch nicht, dann ist mittels Wärmepumpe der Hochtemperaturspeicher (HT) mit der Abwärme von Batterie und Motor aufheizbar.
Sollten die Latentwärmespeicher keine Wärme aufnehmen können und die Wärmeabgabe der Batterie und des Motors an den Fahrgastraum den Bedarf übersteigen, so kann über den Außenwärmetauscher auch Wärme an die Fahrzeugumgebung abgegeben werden.
Der zweite Betriebszustand bildet die direkte Sonneneinstrahlung im Frühling oder Herbst ab. In diesem Beispiel beträgt der Arbeitspunkt des Tieftemperaturlatentwärmespeichers 14°C und der des Hochtemperaturlatentwärmespeichers 45°C. Die Außentemperatur liegt über der optimalen Betriebstemperatur einiger Komponenten (z. B. bei 25°C). In diesem Beispiel werden die Latentwärmespeicher zur Wärmeabfuhr eingesetzt. Dies erfolgt entweder passiv oder optional durch eine externe Stromzuführung und Betrieb der Fahrzeugklimaanlage. Beide Latentwärmespeicher wurden bis unter ihren Arbeitspunkt abgekühlt und können somit jetzt Wärme aufnehmen.
Vor dem Fahrzeugstart wird das Übertragungsmedium vom Niedertemperaturspeicher (NT) zu der Batterie und dem Motor gepumpt, um diese von 25°C auf 20°C abzukühlen.
Im Fahrbetrieb erwärmen sich Motor und Batterie. Das Übertragungsmedium nimmt weiterhin Wärme auf und überträgt diese zum Niedertemperaturspeicher (NT). Dadurch wird dieser aufgeheizt und kühlt die Komponenten von 25°C auf 20°C. Die Batterie kann jetzt optimal Energie liefern, so dass die Kühlung des Fahrzeuginnenraums über die Klimaanlage erfolgen kann. Der Hochtemperaturspeicher (HT) kann hierbei keine direkte Kühlfunktion übernehmen. Mit der Wärmepumpe ist es aber möglich den NT über den HT abzukühlen, wobei der HT die Wärme aufnimmt. Der Verdichter komprimiert das Kühlmittel im Wärmetauscher des HT und leitet dieses über eine Drossel an den Wärmetauscher des NT, wo das Kühlmittel entspannt wird und die Wärme aufnimmt. Nach der Wärmeaufnahme erfolgt wieder eine Verdichtung im Wärmetauscher des HT.
Sollten die Latentwärmespeicher noch nutzbare Wärmeaufnahmekapazität haben, so sind diese für die Kühlung des Fahrzeuginnenraums zuschaltbar.
Im weiteren Fahrbetrieb kann der Niedertemperaturspeicher (NT) und/oder der Hochtemperaturspeicher (HT) auch durch die Klimaanlage abgekühlt werden, damit beim nächsten Start die Temperatur der Batterie vor Fahrtbeginn eingestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Batterie immer bei der optimalen Zieltemperatur betrieben werden kann und so optimal Energie liefert oder speichert. Weiterhin wird mittels der Wärmepumpe der NT länger auf einer niedrigeren Temperatur gehalten. Die Einstellung der Temperatur der Batterie erfolgt im weiteren Fahrverlauf über die Klimaanlage. Weiterhin kann über den Außenwärmetauscher Wärme an die Fahrzeugumgebung übertragen werden.
In Abhängigkeit von der Außentemperatur, z. B. wenn es am Abend kühler ist, können die Latentwärmespeicher über den Außenwärmetauscher mit der Umgebung gekoppelt werden, so dass ein passiver Wärmeaustausch stattfindet. Das hat den Vorteil, dass die Latentwärmespeicher ohne Nutzung einer externen Kühlung vorkonditioniert werden. Damit stehen diese beim Fahrzeugstart zur Wärmeaufnahme zur Verfügung.
Der dritte Betriebszustand tritt in den Sommermonaten, besonders bei direkter Sonneneinstrahlung, auf. In diesem Beispiel beträgt der Arbeitspunkt des Tieftemperaturlatentwärmespeichers 10°C und der des Hochtemperaturlatentwärmespeichers 35°C. Die Außentemperatur liegt über der optimalen Betriebstemperatur aller Komponenten und der Arbeitstemperatur beider Latentwärmespeicher (z. B. bei 60°C).
In diesem Beispiel werden die Latentwärmespeicher bis zu ihrem Arbeitspunkt, bevorzugt unter ihrem Arbeitspunkt abgekühlt und können somit jetzt Wärme aufnehmen. Die Abkühlung geschieht passiv oder durch eine externe Stromzuführung zur Fahrzeugklimaanlage. Eine passive Übertragung ist auch im Sommer möglich, da die Nachttemperaturen oftmals unter der Arbeitstemperatur der Latentwärmespeicher liegen. Hier ist es besonders wichtig, die thermische Kopplung der Speicher an die Umgebung über den Außenwärmetauscher bei steigenden Temperaturen rechtzeitig zu beenden.
Vor dem Fahrzeugstart wird z. B. durch manuelle Signalisierung oder Zeitschaltung das Übertragungsmedium vom Hochtemperaturspeicher (HT) zu den Batterien und den Motor gepumpt, um diese vorzukühlen. Nach dem Abkühlen auf die Arbeitstemperatur des Hochtemperaturspeichers (HT) (auf 35°C) erfolgt die weitere Kühlung über den Niedertemperaturspeicher (NT), um eine Abkühlung auf die Zieltemperatur, z. B. 20°C, zu erreichen. Wenn der HT noch Wärmespeicherkapazität hat, kann über die Wärmepumpe Wärme vom NT auf den HT übertragen werden. Das hat den Vorteil, dass der NT länger für die Wärmeaufnahme zur Verfügung steht.
Im Fahrbetrieb erwärmen sich Motor und Batterie. Der primäre Aspekt im Fahrbetrieb ist die Vorbereitung der Latentwärmespeicher für den nächsten Fahrzeugstart. Wenn der nächste Fahrzeugstart aber erst am nächsten Morgen ist, könnte man die Nachtkühle zum Abkühlen nutzen und müsste nicht die Klimaanlage zur Abkühlung einsetzen. Einen Ausweg würde eine Zeitschaltung bieten. Beim Betrieb am Vormittag ist es relativ wahrscheinlich, dass das Fahrzeug am Nachmittag ebenfalls betrieben wird. In diesem Fall werden die Latentwärmespeicher über die Klimaanlage abgekühlt. Beim Betrieb am Nachmittag ist es eher wahrscheinlich, dass die Nachtkühle genutzt werden kann. In diesem Fall wird nur der Niedertemperaturlatentwärmespeicher (NT) von der Klimaanlage gekühlt, so dass bei einer zusätzlichen Fahrt vor der Nachtkühle zumindest die Batterie in den optimalen Betriebszustand gebracht werden kann.
Ein weiterer Aspekt im Fahrbertrieb ist die weitere Kühlung der Fahrzeugkomponenten im Betrieb. Sofern die Latentwärmespeicher noch Wärmeaufnahmekapazität haben (z. B. nachmittags), ist diese auch im Fahrbertrieb zur Kühlung einsetzbar. So kann es bei starken Beschleunigungen oder Bremsungen notwendig sein, die Latentwärmespeicher zusätzlich einzusetzen, damit die Fahrzeugkomponenten im optimalen Temperaturbereich bleiben und damit weniger Energie verbrauchen als bei einer höheren Temperatur. Wenn noch Wärmeaufnahmekapazität im Hochtemperaturspeicher (HT) zur Verfügung steht, könnte dieser Wärme vom Motor, den Bremsen oder der Batterie aufnehmen und diese kühlen. Dazu werden die Ventile so geschaltet, dass das Übertragungsmedium zwischen den Fahrzeugkomponenten und dem HT zirkuliert. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Zieltemperatur der Fahrzeugkomponenten bei 20°C liegt und das mit dem HT nicht erreicht werden kann. Dennoch kann ein Vorteil erzielt werden, da eine Vorkühlung auf 35°C zu geringerer Belastung der Batterie führt, als ohne Kühlung bei 60°C zu arbeiten. Der Vorteil des zusätzlichen Hochtemperaturspeichers (HT) liegt in diesem Betriebszustand in der Vorkühlung von Komponenten auf 35°C. Damit ist über eine längere Zeit eine Kühlung möglich, da die Latentwärmespeicher nur über eine begrenzte Wärmeaufnahmekapazität verfügen.
Dieses Kühlen der Fahrzeugkomponenten ist ein Kühlbetrieb.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 das Funktionsprinzip Heizbetrieb und
2 das Funktionsprinzip Kühlbetrieb.
In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Zudem wird auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil derselben bilden, Bezug genommen. Diese Offenbarung der Erfindung soll die Merkmale oder Hauptelemente der Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschränken. Vielmehr können die verschiedenen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, durch einen Fachmann auf dem Gebiet auf verschiedene Arten kombiniert werden, um einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip des Temperaturregulationssystems in einem Heizbetrieb. Hierbei wird die Wärme aus dem vorgeheizten Latentwärmespeicher mit niedrigerer Phasenwechseltemperatur (10°C bis 20°C) 10 zu den Komponenten wie Energiespeichersystem (z. B. Batterie) 30 oder Antriebssystem (z. B. Motor, Leistungselektronik) 40 geleitet. Weiterhin wird die Wärme aus dem vorgeheizten Latentwärmespeicher mit hoher Phasenwechseltemperatur (40°C bis 60°C) 20 zum Innenwärmetauscher 60 geleitet, um den Fahrzeuginnenraum 100 zu erwärmen.
Das Übertragungsmedium ist hierbei bevorzugt Wasser. Dieses kann mit einem Frostschutzmittel und/oder einem Korrosionsschutzmittel versetzt sein.
Der Außenwärmetauscher 50 wird in diesem Betriebszustand erst benötigt, wenn Wärme an die Fahrzeugumgebung abgeführt werden muss. Er wird also nur bei Bedarf zugeschaltet. Die Strömung des Übertragungsmediums und die Zuschaltung von Komponenten erfolgt über die Ansteuerung der Ventile 80. Die Ventile stellen auch einen variablen Strom ein. Damit sind neben dem vollständigen Zu- und Abschalten, auch Teilströme realisierbar. Zur Konditionierung können beide Speicher zunächst mittels elektrischer Widerstandsheizung erwärmt werden. Die elektrische Widerstandsheizung ist bevorzugt innerhalb des Gehäuses 70 angeordnet und kann somit beide Latentwärmespeicher konditionieren. Die Latentwärmespeicher können aber auch in getrennten Gehäusen mit jeweils einer elektrischen Widerstandsheizung angeordnet werden. Die Konditionierung erfolgt bevorzugt mit einer externen Stromquelle beim Fahrzeugstillstand. Damit kann kurz vor Fahrtantritt die Batterie im Energiespeichersystem 30 aufgeheizt werden (z. B. von 0°C auf über 15°C). Dies hat den Vorteil, dass die Batterie bei 15°C bis 20°C mehr Energie bereitstellen kann, als bei 0°C. Die Klimaanlage, und damit der Verdampfer im Fahrgastraum 110, wird im Heizbetrieb eher nicht verwendet. Die Wärmepumpe 90 wird nur dann benötigt, wenn während der Fahrt viel Wärmeenergie anfällt (z. B. beim Bremsen). Dann könnte bei vollem NT 10 der HT 20 zusätzlich aufgeladen werden, indem den NT 10 gekühlt und der HT 20 geheizt wird.
2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der Vorkonditionierung während einer Sommernacht. Die Latentwärmespeicher haben während des Tages Wärme aufgenommen, wobei zuerst der HT 20 zur Vorkühlung und anschließend der NT 10 zur Hauptkühlung verwendet wurde. Wenn die Außentemperatur unterhalb des Arbeitspunktes des Latentwärmespeichers fällt, z. B. in einer Sommernacht, wird die gespeicherte Wärme des jeweiligen Latentwärmespeichers über den Außenwärmetauscher 50 nach außen an die Fahrzeugumgebung abgegeben. Hierzu wird das aufgeheizte Übertragungsmedium im Kreislauf über den Außenwärmetauscher 50 gepumpt. Die Ventile 80 werden so eingestellt, dass nicht nur die Latentwärmespeicher HT 20 und NT 10 Wärmeenergie abgeben. Die über den Tag gespeicherte Wärme der Fahrzeugkomponenten (z. B. Motor 40, Batterie 30, Fahrgastraum 100 mit Innenwärmetauscher 60) werden ebenfalls über den Außenwärmetauscher 50 an die Fahrzeugumgebung abgegeben.
Die Latentwärmespeicher sind bevorzugt in einem einzigen Gehäuse 70 angeordnet und bilden damit eine Baugruppe. Zusätzlich ist in dieser Baugruppe eine Wärmepumpe 90 integrierbar. Das Gehäuse kann zusätzlich Ventile und Leitungsanschlüsse für Rohre und Ventilsteuerung (z. B. als Kabelanschluss) aufweisen, so dass ein einfacher Einbau in das Fahrzeug ermöglicht wird.
Die Klimaanlage, und damit der Verdampfer im Fahrgastraum 110, wird bevorzugt nicht zugeschaltet. Sollten die Nachttemperaturen zur Abkühlung der Fahrzeugkomponenten nicht ausreichen und das Fahrzeug steht still, dann ist es möglich, die Klimaanlage über eine externe Stromquelle zu betreiben. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, die Latentwärmespeicher und die Fahrzeugkomponenten mit der Klimaanlage zu kühlen und diese damit für den nächsten Einsatz vorzubereiten.
Bezugszeichenliste

10: Tieftemperaturlatentwärmespeicher
20: Hochtemperaturlatentwärmespeicher
30: Energiespeichersystem des Fahrzeugs (z. B. Batterie)
40: Antriebssystem (z. B. Motor)
50: Außenwärmetauscher
60: Innenwärmetauscher
70: Gehäuse
80: Pumpe
90: Wärmepumpe
100: Fahrgastraum
110: Verdampfer der Klimaanlage
120: Drossel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010018906 A1 [0004]

Claims

Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Wärmespeicher als Latentwärmespeicher mit unterschiedlichen Arbeitspunkten (10, 20) aufweist.
Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine weitere Fahrzeugkomponente (30, 40, 100) insbesondere den Fahrzeuginnenraum (100), das Antriebs- (40) und/oder Energiespeichersystem (30) erwärmt und/oder kühlt.
Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium der Latentwärmespeicher (10, 20) Paraffin, Wachs, Wasser, Salzlösungen, Silicagele, Metallhydride, Zeolithe oder Kombinationen dieser Stoffe umfassen.
Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Latentwärmespeicher mit unterschiedlichen Arbeitspunkten (10. 20) eine Wärmepumpe (90) zum Wärmeübertrag von einem Arbeitspunkt auf einen anderen Arbeitspunkt umfasst.
Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmespeicher (10, 20) vor Fahrtantritt konditioniert wird.
Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass es einen Stromanschluss, über den es mit einem externen Stromnetz verbunden wird, für die Konditionierung vor dem Fahrtantritt aufweist.
Baugruppe für ein Temperaturregulationssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (70) mindestens zwei Latentwärmespeicher mit unterschiedlichen Arbeitspunkten (10, 20) angeordnet sind.
Baugruppe für ein Temperaturregulationssystem nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (70) zusätzlich eine Wärmepumpe (90) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Temperaturregulationssystems nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Abkühlung von Fahrzeugkomponenten der Latentwärmespeicher mit dem höchsten Arbeitspunkt eine Vorkühlung durchführt und anschließend der mindestens eine Latentwärmespeicher mit niedrigerem Arbeitspunkt für eine weitere Abkühlung zugeschaltet wird.